环境系统分析：第四章 河流水质模型

1、第四章 河流水质模型 -从微观到宏观4.1 河流中的基本水质问题一. 河流中几种重要的水质组份1. 溶解氧(DO)2. 生化需氧量(BOD)3.化学需氧量（COD)4. 其它总氮或氨氮（NH3-N）、 酚、氰化物、砷（As）、 汞(Hg)、六价铬（Cr6）以及总磷等二. 河流基本水质过程分析1物理过程物理过程 污染物在水体中的输移、混合、扩散稀释、沉降、悬浮、吸附、解吸、挥发等2生化作用生化作用含碳的有机化合物的氧化分解含氮的有机化合物的氧化分解LKdtdLC)exp(0tKLLC11,TTTCTCKK对06. 102. 1,CK，一般取 1.0472020,TCTCKKBArLLtKln1s

2、drKKKHuKKxCd 关于关于K的几个问题的几个问题3水体的耗氧与复氧过程水体的耗氧与复氧过程1）耗氧过程）耗氧过程(1) 河水中碳化合物的氧化分解引起耗氧；(2) 河水中氮化合物的氧化分解引起耗氧;)exp()exp(00 xrCrCCuxKLtKLL)exp(0 xNNNuxKLL231NNHN有机323NNONNH 亚硝化4332NNONNO硝化1111NKdtdN1122222NKNKdtdN2233333NKNKdtdN3344444NKNKdtdN1211KK2322KK3433KK044K30. 032. 065. 0/50. 201. 044K/(3) 河床底泥中的有机物在

3、缺氧条件下，发生厌气分解，产生有机酸和甲烷、二氧化碳、氨等原性气体，当这些物质释放到水体时，消耗水中的氧；费尔(fair)用阻尼反应来表达底泥的耗氧速度：dbcdLKrdtdLdtdO1)1 (底泥耗氧速度常数是温度的函数，温度修正系数的常用值为 1072(530)(4) 水生植物(如藻类)的呼吸作用而耗氧；RtDOr在一般情况下，R 的值在 05mgld 之间(5) 废水中其它还原性物质所引起水体的耗氧。2）复氧过程）复氧过程(1) 上游河水或有潮汐河段海水所带来的溶解氧;(2) 排入水体的废水所带来的溶解氧;(3) 大气复氧)(OOVAKdtdOsLDKDHKdtdDaL对047. 101

4、5. 1,aK，般取 1.0242020,TaTaKKTOs6 .31468220002739. 000205. 00966. 00044972. 0367134. 06244.14SSTSTTOsOODs(4) 光合作用TtppmtsinTt 00tp其余时间mp的值随河流条件变化很大，其范围在 030mg1d 之间ptDOp黑白瓶试验对于白瓶：001)(24LKRPtDODOC对于黑瓶：002)(24LKRtDODOC4.2 单一河段水质模型LKxLDxLudxx22)(22DODOKLKxDODxDOusadxx4.2.1 StreeterPhelps 模型模型LKdtdLd)(DODO

5、KLKtDOsadtLxLux0 xDDODODsDKLKtDad)exp(0tKLLd)exp()exp()exp(00tKDtKtKKKLKDaaddad)exp()exp()exp(00tKDtKtKKKLKDODDODOaaddadss0cadDKLKtD)/exp()exp(00 xcdadcdadadcuxKLKKtKLKKLKKD00)(1lnLKKKDKKKKuxddadadaxc00)(1ln1/LKKKDKKKKuxtddadadaxcc4.2.2 Thomas(托马斯托马斯)模型模型LKKdtdLsd)(DKLKtDad)(exp0tKKLLsd)exp()exp()(e

6、xp)(00tKDtKtKKKKKLKDaasdsdad4.2. 3DobbinsCamp（多宾斯康布）模型（多宾斯康布）模型BLKKdtdLsd)(PDKLKtDadsdsdadKKBtKKKKBLL)(exp0)exp()exp(1 )exp()(exp)(00tKDtKKPKKBKKtKtKKKKBLKKKKDaadsdadasdadsdad4.2. 4OConnr(欧康奈尔欧康奈尔)模型模型CsdCLKKdtdL)(NNNLKdtdLDKLKLKtDaNNCd)(exp0tKKLLadCC)exp(0tKLLNNN)exp()exp()exp( )exp()(exp)(000tKDtK

7、tKKKLKtKtKKKKKLKDaaNNaNNasdsdad4.3 一维多河段水质模型一维多河段水质模型4.3.1 BODDO耦合矩阵模型耦合矩阵模型一. 划分河段、设置断面采样的原则1. 在河流断面形状发生剧烈变化处2. 支流或污水的输入处3. 河流取水口处4. 便于采样的地方)exp(0tKLLd二. BOD 多河段水质模型的建立iiiiQQQQ3121, 21iiQQiiiiiiiQLQQLQL)(31122)exp(11,1, 21iidiitKLL)exp(iditK1, 211iiiLLiiiiiiiiiLQQQQQLL223111, 22)(iiiiiQQQa23111)(ii

8、iQQb2iiiiiLbLaL1, 212nnnnniiiiiLbLaLLbLaLLbLaLLbLaL1, 2121, 21222121221120021 nnnnniiiiiLbLLaLbLLaLbLLaLaLbL, 21, 21, 21, 2122222112001121 10001001001001111niaaaAnibbbbB00000000021TnLLLL),(222212TnLLLL),(21Tngggg),(212001Lag )2(0nigigLBLA2gALBAL112BAU1gAm1mLUL2gDAChfCLBDACDOBCDO1111112)(BDACV11gDACh

9、fCDOBCn1111)(nLVDO2nLVDOmLUL224.3.2 含支流的河流矩阵模型含支流的河流矩阵模型nLVDOmLUL2222nLVDOmLULTniLLLLL),(212miLL TmLLLL) , , (222212)(2mLULTm) 1 , 0 , 0 , 0(T4.4 二维多河段水质模型二维多河段水质模型BQHhaqb由纵向水流输入、输出单元ji,的 BOD 总量为)(, 1jijijLLq由纵向弥散作用输入、输出该单元的 BOD 总量为ijjiD), 1(ijjiijjixLL), 1(, 1)(ijjiA), 1( ), 1( ,jiijD), 1( ,), 1( ,

10、 1)(jiijjiijjiijAxLL由横向弥散作用输入，输出该单元的 BOD 总量为ijjiD),1,(ijjiijjiyLL),1,(1,)(ijjiA),1,( )1,( ,jiijD)1,( ,)1,( ,1,)(jiijjiijjiijAyLL)1,( ,)1,( ,)1,( ,)1,( ,),1,(),1,(),1,(),1,(), 1( ,), 1( ,), 1( ,), 1( ,), 1(), 1(), 1(), 1(jiijjiijjiijjiijijjiijjiijjiijjijiijjiijjiijjiijijjiijjiijjiijjiyADDyADDxADDxADD

11、令由纵向弥散作用输入、输出该单元的 BOD 总量为由横向弥散作用输入，输出该单元的 BOD 总量为), 1( ,), 1( ,), 1( ,), 1(), 1(), 1(jiijjiijjiijijjiijjiijjiAxDAxD)(, 1ijjiLL)(, 1 jiijLL), 1(ijjiD), 1( ,jiijD)()(1,)1,( ,1,),1,(jiijjiijijjiijjiLLDLLD在ij单元内的BOD衰减量为 ijijdijLKV)(由系统外输入ij单元的BOD总量为 LijWij单元的质量平衡关系 Lijijijdijjiijjiijijjiijjijiijjiijijji

12、ijjiijjijijijWLKVLLDLLDLLDLLDLLqdtdLV)(1,)1,( ,1,),1,(, 1), 1( , 1), 1(, 1)()()()()(0dtdL0)()()()()()(1,)1,( ,1,),1,(, 1), 1( , 1), 1(, 1LijijijdijjiijjiijijjiijjijiijjiijijjiijjiijjijWLKVLLDLLDLLDLLDLLqLijjijiijjijiijijdijijjiijijjijiijijjijjiijjijjiijjiWLDLDLKVDDDDqLDqLD1,) 1,( , 1), 1( ,), 1( ,),

13、 1() 1,( ,),1,(, 1), 1(1,), 1()()()()()(LjijimkkjikkjikkjikkjimkkWLgLgLgLgLg,1, 11, 11,1,LWLGLWGL1nmk 1LjijimkkjikkjikkjikkjimkkWLgLgLgLgLg, 1,1,1,1,1, 1,LWLGLWGL1)1,( ,jiijklDg),1,(ijjiklDg), 1(ijjijklDqg), 1( ,jiijklDg1 kl1 klmklmklLijjijiijjijiijijdijijjiijijjijiijijjijjiijjijiijjijWLDLDLKVDDDDqL

14、DLDq, 1), 1( ,1,) 1,( ,), 1( ,), 1() 1,( ,),1,(1,),1,(, 1), 1()()()()()(kl dijijjiijijjijiijijjijklKVDDDDqg), 1( ,), 1()1,( ,),1,(44434241343332312423222114131211LLLLLLLLLLLLLLLL16,1615,1612,1616,15, 14,4, 17610, 6665 , 156245 , 5565 , 55445 , 5485 , 1544433734333226232221151211000000000000000000000

15、000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000gggggggggggggggggggggggggggggggggglkkkkkkklk若忽略掉纵向弥散作用项，得：0)()()()(1,)1,( ,1,),1,(, 1LijijijdijjiijjiijijjiijjiijjijWLKVLLDLLDLLqLijjij

16、jijiijijijdijjiijijjijjiijjiWLqLDLKVDDqLD, 11,)1,( ,)()1,( ,),1,(1,),1,()()()1()(IJIJLLATimijiiIJLLLLL),(21)(-由I河段1m流带中BOD的量组成的m维向量；)(IJL-由I河段的上游河段1m流带中BOD的量及边界、系统外排放BOD的量组成的m维向量；)1( IJLTimijiiIJLLLLL),(21)1(LiiiiiWLQLqL11 , 111LjjijijWLqL1, 1)1(1)(IJIJLALmmmmmmmmmmjjjjjjaaaaaaaaaaaaaA,1, 11, 12, 11

17、,1,23222112110000000000000000000)1(12, 1111idiiiKVDqa), 1(, 1), 1(),1, 1(mdmmmmmmKVDqa)()1,( ,),1,(ijdijjiijijjijjjKVDDqa),1,(1, 1ijjijjjjDaaimijiiLLLL21)(IJL4.5 重金属水质模型重金属水质模型)(222222sdszyxzyxCCKKzCuyCuxCuzCDyCDxCDtCbzuyuxuzDyDxDtzyxzyx222222)(222222sdspzpypxpzpypxpCCKKzCuyCuxCuzCDyCDxCDtCC-河流中溶解态重

18、金属浓度； -河流中悬浮物浓度； SC-悬浮物中重金属含量； SK-悬浮物吸附重金属的速度常数； pC-河流中悬浮态重金属含量； dK-重金属在悬浮物和 水中的分配系数； b-底泥悬浮物的悬浮速度； SpCC一、河口的水质特征一、河口的水质特征河口：入海河流受到潮汐作用的一段水体，它与河口：入海河流受到潮汐作用的一段水体，它与一般的河流的最大差别是受到潮汐的影响，并随一般的河流的最大差别是受到潮汐的影响，并随着海潮的涌入带来大量的着海潮的涌入带来大量的Cl-，水质具有明显的时，水质具有明显的时变特征。变特征。潮汐对河口的水质影响具有两面性：潮汐对河口的水质影响具有两面性：一方面一方面由海潮带来

19、大量的溶解氧，与上游下泻由海潮带来大量的溶解氧，与上游下泻的水流相汇，形成的水流相汇，形成强烈的混合作用强烈的混合作用，使污染物的分，使污染物的分布更趋于均匀；另一方面布更趋于均匀；另一方面由于潮流的由于潮流的顶托作用顶托作用，延长了污染物在河口的停留时间，有机物降解会进延长了污染物在河口的停留时间，有机物降解会进一步降低水中的溶解氧，使水质下降。一步降低水中的溶解氧，使水质下降。4.6 河口水质模型河口水质模型二、一维解析模型二、一维解析模型欧康奈尔对于定常的断面积和淡水流量，假定欧康奈尔对于定常的断面积和淡水流量，假定s=0，r =-KC，提出了计算峰值浓度的解。，提出了计算峰值浓度的解。

20、0srCudxd-dxdCdxdDxx2xxxx22xxxx12010uKD41-1D2ujuKD411D2ujx)exp(jCC:0 xx)exp(jCC:0 x式中：）对于排放点下游（）对于排放点上游（xDuxx0CCln0r 0s 0 xlnlnDCCxuxBODDO耦合模型耦合模型描述氧亏的微分方程描述氧亏的微分方程0LkDK-dxdDu-dxDdDdax22x22dad11dadB-AQK-KWKD:0 xB-AQK-KWKD:0 x0,Dx）对排放口上游（）对排放口上游（上式的解为：时，若给定边界条件：当三三. 河口的冲洗时间河口的冲洗时间 河口的冲洗时间是指由于上游迳流作用，从河

21、口的某一特定位置将保守污染物输送到河口外所需时间。 niiiifRVfT1iT-河段总的冲洗时间T; ifiiiPRf -第i河段的淡水分数，iRiPiV-第i河段在一个潮周期上所得的河水水量L3/t; -第i河段在一个潮周期上的进潮量L3; -第i河段河水的实际体积L3。 if可以盐度数据进行计算，即 SisiSSSfsSiS-河口外海水的盐度，；-第i河段平均盐度。 某一河口,上游径流量为 12m3/s，将其分成 8 段。各段的测流特征和盐度数据列于下表，表中 1为上游河段，8为下游河段。河口外海水盐度为 10.7ppt。河段平均盐度ppt河段长度m河段横截面积m2河段平均体积m310-7810.310400160